यह ब्लॉग पोस्ट उन सिद्धांतों और अनुप्रयोगों की पड़ताल करता है जिनके कारण परमाणु भौतिकी—परमाणु नाभिकों का अध्ययन—साइक्लोट्रॉन और रेडियोधर्मी समस्थानिकों के माध्यम से विकिरण चिकित्सा और पीईटी स्कैन जैसी आधुनिक चिकित्सा प्रौद्योगिकियों तक पहुंचा।

परमाणु भौतिकी ने चिकित्सा और प्रायोगिक विज्ञान को कैसे जन्म दिया?

नाभिकीय भौतिकी परमाणु नाभिकों का अध्ययन है। हालांकि, कई लोग नाभिकीय भौतिकी को केवल परमाणु ऊर्जा संयंत्रों में होने वाली नाभिकीय विखंडन घटनाओं से संबंधित क्षेत्र के रूप में ही देखते हैं। इस धारणा के विपरीत, नाभिकीय भौतिकी अनुसंधान के दौरान उत्पन्न होने वाले विभिन्न उप-उत्पादों ने रसायन विज्ञान या भौतिकी के अन्य क्षेत्रों में पहले असंभव प्रयोगों को संभव बनाया है, और इनका चिकित्सा क्षेत्र में भी व्यावहारिक महत्व है।

साइक्लोट्रॉन: क्या यह सिर्फ एक साधारण कण त्वरक है?

उदाहरण के लिए, नाभिकीय भौतिकी प्रयोगों के लिए विकसित साइक्लोन त्वरक पर विचार करें। साइक्लोन एक कण त्वरक है जो कणों को वृत्ताकार गति में प्रेरित करता है। संरचनात्मक रूप से, यह तांबे की प्लेटों से बने दो डी-आकार के निर्वात कक्षों से युक्त एक अपेक्षाकृत सरल उपकरण है। यह उपकरण आवेशित कणों के प्रवाह को गति देने के लिए उच्च आवृत्ति वाले प्रत्यावर्ती धारा वोल्टेज का उपयोग करता है।
साइक्लोट्रॉन की संरचनात्मक विशेषताओं को मोटे तौर पर दो मुख्य भागों में विभाजित किया जा सकता है। पहली विशेषता यह है कि पारंपरिक रैखिक कण त्वरक के विपरीत, साइक्लोट्रॉन एक वृत्ताकार कण त्वरक है जिसमें दो D-आकार की अर्धवृत्ताकार प्लेटें एक दूसरे से दूरी पर स्थित होती हैं। दूसरी विशेषता यह है कि साइक्लोट्रॉन के भीतर, प्रत्यावर्ती वोल्टेज की आवृत्ति की दिशा प्रत्येक बार कणों के अर्धवृत्ताकार प्लेटों में से किसी एक से गुजरने पर बदल जाती है। कण प्रवाह को त्वरित करने के लिए, निर्वात कक्ष के भीतर दो अर्धवृत्ताकार धातु इलेक्ट्रोडों के बीच प्रत्यावर्ती वोल्टेज प्रवाहित होता है। ये अर्धवृत्ताकार प्लेटें एक निश्चित अंतराल पर स्थित होती हैं ताकि इस स्थान के केंद्र में प्रक्षेपित कणों को स्वतंत्र रूप से गति करने के लिए पर्याप्त स्थान मिल सके। अर्धवृत्ताकार प्लेटें एक विद्युतचुंबक के ध्रुवों के बीच स्थित होती हैं जो इलेक्ट्रोड प्लेटों के लंबवत विद्युतचुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करता है। परिणामी चुंबकीय क्षेत्र के कारण कणों के पथ उनकी गति की दिशा के लंबवत कार्य करने वाले लोरेंत्ज़ बल के कारण वृत्ताकार आकार में मुड़ जाते हैं। इसके अलावा, प्रत्येक बार जब कण अर्धवृत्ताकार प्लेटों के बीच के अंतराल से गुजरते हैं, तो विद्युत क्षेत्र की आवृत्ति की दिशा बदल जाती है। इस परिवर्तन से यह सुनिश्चित होता है कि विद्युत क्षेत्र कणों के वेग को गति देने के लिए उपयुक्त दिशा में स्थित हो। परिणामस्वरूप, विद्युत बल के प्रभाव में कण उत्तरोत्तर बढ़ती त्रिज्या वाली वृत्ताकार कक्षाओं में गति करने लगते हैं।
इस प्रकार त्वरित कणों का उपयोग साइक्लोट्रॉन से निकलने के बाद प्रयोगों में किया जा सकता है, जैसे कि उन्हें विभिन्न पदार्थों से टकराना या नए कणों के निर्माण का अवलोकन करने के लिए परमाणु प्रतिक्रियाएँ प्रेरित करना। हालांकि, साइक्लोट्रॉन में उत्पन्न कण केवल साधारण प्रयोगों के लिए ही उपयोगी नहीं होते, बल्कि चिकित्सा क्षेत्र में भी इनकी महत्वपूर्ण भूमिका होती है। दूसरे शब्दों में, साइक्लोट्रॉन से निकलने वाली आयन किरण का उपयोग कैंसर के उपचार में किया जा सकता है, जो विकिरण चिकित्सा के मूल सिद्धांत के अनुरूप है। साइक्लोट्रॉन में प्रकाश की गति के लगभग 60 प्रतिशत तक त्वरित प्रोटॉन से रोगी के ट्यूमर स्थल को विकिरणित करके कैंसर कोशिका डीएनए को नष्ट करने की विधि पारंपरिक विकिरण चिकित्सा की तुलना में शरीर से गुजरने के दौरान स्वस्थ ऊतकों पर न्यूनतम प्रभाव डालती है। इसके अलावा, उपचार प्रक्रिया अपेक्षाकृत तेज़ होती है और रोगी को कम असुविधा होती है, जो एक और महत्वपूर्ण विशेषता है। इस प्रकार, परमाणु भौतिकी का अनुप्रयोग यह दर्शाता है कि यह केवल विद्युत उत्पादन के सीमित क्षेत्र तक ही सीमित नहीं है, बल्कि विविध क्षेत्रों में विस्तारित हो सकता है।

चिकित्सा प्रौद्योगिकी में परमाणु भौतिकी

रेडियोधर्मी समस्थानिक, जिनका उपयोग आमतौर पर परमाणु भौतिकी प्रयोगों में किया जाता है, चिकित्सा प्रौद्योगिकी में भी सक्रिय रूप से किया जाता है। ऐसे नवोन्मेषी चिकित्सा उपकरण विकसित किए गए हैं जो मानव शरीर की आंतरिक कार्यप्रणाली के बारे में अधिक विस्तृत जानकारी प्राप्त करने के लिए रेडियोधर्मी समस्थानिकों का उपयोग करते हैं। पारंपरिक एक्स-रे इमेजिंग, कंप्यूटेड टोमोग्राफी (सीटी) और मैग्नेटिक रेजोनेंस इमेजिंग (एमआरआई) के अलावा, पॉज़िट्रॉन एमिशन टोमोग्राफी (पीईटी) नामक एक तकनीक उभर कर सामने आई है जो मस्तिष्क की कार्यात्मक गतिविधि को प्रत्यक्ष रूप से दर्शा सकती है। पीईटी एक ऐसा उपकरण है जो मस्तिष्क के विभिन्न क्षेत्रों की छवियां प्राप्त करने के लिए रेडियोधर्मी समस्थानिकों से चिह्नित पदार्थों का उपयोग करता है। पीईटी छवियों को एकत्रित करने के पीछे का सिद्धांत उस शारीरिक घटना पर आधारित है जिसमें सक्रिय मस्तिष्क क्षेत्रों में ग्लूकोज चयापचय बढ़ता है, जिससे रक्त प्रवाह में भी वृद्धि होती है। इस प्रक्रिया में, लगभग दो मिनट के अत्यंत अल्प अर्ध-जीवन वाले समस्थानिक युक्त जल अणुओं का उपयोग रक्त प्रवाह में परिवर्तन को मापने के लिए किया जाता है। यह परीक्षण टोमोग्राफिक इमेजिंग विधि का उपयोग करके किया जाता है, जिसमें विशिष्ट उत्तेजना के बिना मस्तिष्क की प्रतिक्रिया की तुलना उत्तेजना लागू होने पर उसकी सक्रिय अवस्था से की जाती है। ऐसे उदाहरण स्पष्ट रूप से दर्शाते हैं कि परमाणु भौतिकी अन्य अकादमिक क्षेत्रों की प्रगति को किस प्रकार सकारात्मक रूप से प्रभावित कर सकती है।

नाभिकीय भौतिकी की प्रयोज्यता

परमाणु विखंडन प्रतिक्रियाओं द्वारा विद्युत उत्पादन की तकनीक और साइक्लोट्रॉन नामक कण त्वरक के चिकित्सा अनुप्रयोग, दोनों ही परमाणु नाभिकों के अन्वेषण के दौरान खोजे गए वैज्ञानिक सिद्धांतों के अनुप्रयोग के परिणाम हैं। इस अर्थ में, परमाणु भौतिकी केवल कणों के गुणों को स्पष्ट करने वाला विषय नहीं है; यह एक ऐसा क्षेत्र है जो अपने शोध के दौरान संचित ज्ञान के आधार पर अन्य अकादमिक विषयों की प्रगति को गति प्रदान करता है। निष्कर्षतः, परमाणु भौतिकी को एक बहुमुखी विषय के रूप में संक्षेपित किया जा सकता है जो न केवल परमाणु नाभिकों का अन्वेषण करता है बल्कि इस प्रक्रिया में प्रकट हुए सिद्धांतों को विभिन्न क्षेत्रों में लागू करके विज्ञान और प्रौद्योगिकी की समग्र प्रगति में भी योगदान देता है।